本實用新型涉及一種冷卻體，其用于使熱源的熱量傳遞到液態(tài)冷卻介質(zhì)上，其中，冷卻體具有至少一個用于容納液態(tài)冷卻介質(zhì)的通道。本實用新型還涉及一種具有這種冷卻體和半導體模塊的功率半導體單元。此外，本實用新型還涉及冷卻系統(tǒng)，其具有這種冷卻體或者這種功率半導體單元以及泵、換熱器和管道系統(tǒng)。此外，本實用新型還涉及借助于這種冷卻體冷卻熱源的方法。

背景技術：

冷卻體用于將熱源的熱量排出到周圍環(huán)境中。特別地，在功率半導體領域需要的是，將在功率半導體中產(chǎn)生的，以熱量形式表達的損耗功率排出到周圍環(huán)境中。

在半導體模塊(接下來也稱作模塊)的運行中、例如在整流器中，由其特性決定了產(chǎn)生損耗，該損耗必須被排出到周圍環(huán)境中。出于這種目的，模塊安裝在冷卻體上，其冷卻片將損耗直接地排出到冷卻空氣(周圍空氣) 處，或者安裝在具有液態(tài)冷卻劑的冷卻體上并且經(jīng)由液態(tài)冷卻劑傳遞熱量，并且在其他的位置處、例如在換熱器處將損耗傳遞到周圍空氣處。

半導體模塊具有用于輸出產(chǎn)生的損耗熱量的銅底板。經(jīng)由該銅底板，半導體模塊與冷卻體連接。在提及的半導體模塊中，通常在銅底板上電絕緣的陶瓷板(所謂的DCBs)與半導體芯片焊接。由銅和陶瓷的不同熱膨脹系數(shù)決定了產(chǎn)生機械應力，其使得銅基拱起。在安裝在平坦的冷卻體上時，在冷卻體和半導體模塊之間產(chǎn)生封入空氣(Lufteinschluesse)。封入空氣涉及導熱差的空腔。其在該處通過半導體輸入最大損耗的位置處是不利的。

存在不同的方法來避免在熱傳遞中空腔的缺點。最常應用的方法在于，在安裝前模塊底部借助于導熱膏(導熱界面材料，常?？s寫為TIM) 涂覆。導熱膏隨后填充了空腔。多余的導熱膏在安裝前其層厚比空腔的層厚大的位置處被排出并且在模塊邊緣處聚集。

另外的方法使用敞開的槽作為冷卻體，在槽上固定模塊并且在邊緣處密封。模塊在此用作冷卻體的一類蓋子，其防止液態(tài)冷卻劑溢出。冷卻體直接地沿著模塊底部流動。模塊底部的拱出部分在此沒有作用，因為冷卻介質(zhì)匹配于粗糙度。然而不利的是，在模塊拆卸時、例如在電設備、如整流器的內(nèi)部維修時，整個冷卻循環(huán)或冷卻循環(huán)的至少一部分必須被排空。對于直到更換模塊為止的時間段，冷卻循環(huán)是敞開的且不利在于，隨后異物能夠到達冷卻循環(huán)中并且之后能夠損害冷卻系統(tǒng)的部件。因此，故障概率提高，或者待冷卻的電設備、例如整流器的另外的部件的損害概率提高。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于，提供一種冷卻體，其也在不使用導熱膏的情況下，避免在熱源利用拱起表面與冷卻體連接時的封入氣體，并且其中熱源能夠如下地與冷卻體分開，即不存在冷卻劑溢出的危險。

該目的通過用于使熱源的熱量傳遞到液態(tài)冷卻介質(zhì)上的冷卻體實現(xiàn)，其中冷卻體具有至少一個用于容納液態(tài)冷卻介質(zhì)的管道，其中冷卻體具有薄膜，其中薄膜構(gòu)成管道的至少一部分，其中薄膜構(gòu)成冷卻體的外表面，其設置用于與熱源接觸，其中薄膜是柔性的，使得薄膜通過液態(tài)冷卻介質(zhì)的壓力壓到熱源上。該目的還通過具有這種冷卻體和半導體模塊的功率半導體單元實現(xiàn)，其中半導體模塊如下地布置在冷卻體上，即半導體模塊至少與冷卻體的薄膜的部分熱耦合。此外，該目的還通過冷卻系統(tǒng)實現(xiàn)，其具有這種冷卻體或這種功率半導體單元以及泵、換熱器和連接系統(tǒng)，其中冷卻體、泵和換熱器借助于連接系統(tǒng)如下地互相連接，使得液態(tài)冷卻介質(zhì)能夠在冷卻體、泵和換熱器之間循環(huán)，其中，液態(tài)冷卻介質(zhì)通過泵能夠如下承受壓力，從而薄膜通過液態(tài)冷卻介質(zhì)的壓力壓到熱源處。此外，該目的通過借助于這種冷卻體冷卻熱源的方法實現(xiàn)，其中，液態(tài)冷卻介質(zhì)能夠如下地承受壓力，使得冷卻體的薄膜壓到熱源處。

本實用新型基于以下認知，即具有不均勻的或拱形的底部的半導體模塊能夠由此最優(yōu)地被冷卻，使得具有對于液態(tài)冷卻介質(zhì)必要的結(jié)構(gòu)的冷卻體朝向半導體模塊沒有利用剛性的蓋或平滑的表面封閉，而是利用合適的薄膜封閉。因此，對于熱源的表面特性的要求明顯更低，該表面與冷卻體接觸并且借助于冷卻體冷卻。該表面不再必須是平坦的，而是能夠具有拱形或不平整性。這種拱形或不平整性能夠持續(xù)地存在，或者其由于熱源的發(fā)熱例如在運行中產(chǎn)生。冷卻體的液態(tài)冷卻介質(zhì)能夠如下承受壓力，即設置用與熱源接觸的外表面改變其形狀。通過這種形狀變化，與應被冷卻的熱源的完全平坦表面不符的偏差能被補償。導致在熱源和冷卻體之間的熱傳遞變差的封入氣體和/或空腔能夠由此被避免或至少明顯減少。冷卻的過程也稱為散熱。具有其薄膜的冷卻體與相應的熱源的不平整相匹配，特別是匹配于半導體模塊的與實例相關的不平整。不再需要使用導熱膏，因為在冷卻體和熱源之間不再存在封入氣體。這使安裝過程變得簡單，并且降低了生產(chǎn)成本。

通過薄膜的移動能夠、但不是必要地，如下地形成用于冷卻介質(zhì)的改變的通道，使得冷卻介質(zhì)的路徑與冷卻體內(nèi)的冷卻介質(zhì)的壓力相關地改變。

半導體模塊通常具有以下屬性，即具有用于輸出熱量的銅底板和至少一個陶瓷板，其布置在銅底板和半導體芯片之間?；阢~和陶瓷的不同的膨脹系數(shù)，在底板的設置用于與冷卻體接觸的表面處產(chǎn)生不平整、例如拱形。拱形基于輪廓(半徑)特別適用于通過冷卻體的薄膜被補償。在此證明為有利的是，冷卻體的薄膜僅在半導體模塊的邊緣處與冷卻板連接，更確切地說使得在該處產(chǎn)生密封的連接，其防止從冷卻體中溢出液態(tài)冷卻介質(zhì)。在此，當液態(tài)冷卻介質(zhì)承受壓力時，液態(tài)冷卻介質(zhì)的溢出隨后也被防止。

熱源能夠直接與薄膜熱接觸。因此，在熱源和冷卻體之間的熱阻是特別低的，使得在溫差低時能夠出現(xiàn)大的熱傳遞。替選地或補充地同樣可行的是，在薄膜和熱源之間引入另外的能導熱的層，將熱源安裝到該層上。通過這個另外的能導熱的層，由熱源和冷卻體構(gòu)成的結(jié)構(gòu)能夠獲得更高的穩(wěn)定性。

熱的傳遞能夠通過液態(tài)冷卻介質(zhì)通過冷卻介質(zhì)的運動來實現(xiàn)。這常常被稱為液體冷卻。替選或補充可行的是，通過蒸發(fā)和冷凝液態(tài)冷卻介質(zhì)實現(xiàn)熱傳遞、這例如在熱管冷卻中發(fā)生。此外，原則上冷卻體也適用于這兩種冷卻類型。

冷卻系統(tǒng)必須選擇性地是無壓力的(drucklos)或者能夠承受預壓。只要在冷卻系統(tǒng)中不產(chǎn)生過壓，薄膜就是平坦的并且僅逐點地抵靠在熱源上，特別是抵靠在半導體模塊的模塊底板的銅底板處。如果現(xiàn)在例如借助于泵在液態(tài)冷卻介質(zhì)中建立壓力，隨后薄膜完全平坦地靠在半導體模塊的底部并且在模塊底部和冷卻介質(zhì)之間產(chǎn)生良好的熱傳輸，其不再具有空腔或封入氣體。

有利地，冷卻系統(tǒng)具有封閉的內(nèi)部冷卻循環(huán)，并且將熱或損失功率隨后經(jīng)由合適的換熱器傳輸?shù)街車h(huán)境(空氣、工業(yè)水、海水等)的冷卻劑處。由此冷卻體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)始終保持相同，而與以何種形式將熱量排出到周圍環(huán)境中無關。

與周圍環(huán)境的冷卻體的選擇無關地，內(nèi)部的冷卻循環(huán)提供了一下可行性，即選擇地建立或者停止預壓。對此其還提供了以下保證，即半導體模塊的底部沒有承受多余的壓力、壓力沖擊或不期待的壓力波動。

本布置的另外優(yōu)點在于，液態(tài)冷卻介質(zhì)不與熱源的底部接觸。在具有銅底板的半導體模塊中特別地不存在下述危險，即在該底板處出現(xiàn)不期待的、與液態(tài)冷卻介質(zhì)的化學反應。

本布置的另外優(yōu)點在于，熱源能夠以簡單的方式與冷卻體分開，無需實行打開或者排空冷卻循環(huán)。因為通過薄膜避免溢出液態(tài)冷卻介質(zhì)，能夠可靠地避免損害對液體滲入敏感的熱源、特別是半導體模塊。為了拆卸熱源，僅必須停止冷卻介質(zhì)的預壓，并且在再次運行前例如借助小手動泵再次建立。此外，借助于薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)在熱源和冷卻體之間簡單的、成本低廉和可靠的連接層。

在另外有利的設計方案中，薄膜的朝向通道內(nèi)部的表面具有比構(gòu)成冷卻體的外表面的另外的表面更大的粗糙度。不同的粗糙度能夠在薄膜的生產(chǎn)過程中以不同的、但簡單的方法實現(xiàn)。在與液態(tài)冷卻介質(zhì)接觸的薄膜一側(cè)的高粗糙度引起用于熱傳輸?shù)拇蟮淖饔妹娣e。而且，在液態(tài)冷卻介質(zhì)中的渦流能夠通過高的粗糙度在薄膜的緊鄰處實現(xiàn)，其保證了高效的熱傳遞。

在另外有利的設計方案中，薄膜的朝向通道內(nèi)部的表面具有凸出元件特別是栓釘(Noppen)和/或溝紋，或者泡沫狀的涂層，特別是具有金屬泡沫的涂層。凸出元件或泡沫狀的涂層擴大了在冷卻體內(nèi)部的用于從薄膜到液態(tài)冷卻介質(zhì)的熱傳輸?shù)淖饔妹娣e。通過相應的大的作用面積，在冷卻體和熱源之間的溫差低時，能夠?qū)⑾鄳蟮臒崃枯斔徒o液態(tài)冷卻介質(zhì)。此外通過凸出元件和/或泡沫狀的涂層，能夠在液態(tài)冷卻介質(zhì)中產(chǎn)生渦流，其進一步改善了在薄膜和冷卻介質(zhì)之間的熱傳遞值。元件和/或涂層能夠以簡單的方式涂覆在薄膜的表面上。

在另外有利的設計方案中，薄膜的朝向通道內(nèi)部的表面具有對于熱傳導來說的高橫向?qū)嵝?。橫向?qū)嵝砸鹭灤┍∧さ臒崃康姆稚?。因此，用于從薄膜到液態(tài)冷卻介質(zhì)的熱量傳遞的作用面積大于用于從熱源到薄膜的熱量傳遞的作用面積。因此能夠?qū)崿F(xiàn)用于從冷卻體的表面到液態(tài)冷卻介質(zhì)的具有少量的溫度升降的高效的熱量傳遞。

附圖說明

下面依據(jù)在圖中示出的實施例詳細描述本實用新型。圖中示出：

圖1示出了冷卻體上的熱源，

圖2示出了具有涂覆的導熱膏的熱源，

圖3示出了安裝在冷卻體上的具有涂覆的導熱膏的熱源，

圖4示出了具有直接的底部冷卻的冷卻體，

圖5示出了具有薄膜的冷卻體，

圖6示出了具有薄膜的冷卻體，

圖7示出了具有薄膜和安裝的熱源的冷卻體，

圖8示出了冷卻系統(tǒng)，

圖9示出了具有栓釘?shù)谋∧ぃ?/p>

圖10示出了具有溝紋的薄膜，

圖11示出了具有金屬泡沫的薄膜，和

圖12示出了具有高橫向?qū)嵝缘谋∧ぁ?/p>

具體實施方式

圖1示出了由現(xiàn)有技術已知的具有安裝在其上的熱源2的冷卻板40。冷卻板由冷卻介質(zhì)50、例如水穿流。熱源2具有不平整的底部30。這種不平整在該圖中作為夸大的拱形示出。已知的是，在熱源2的底部30和和冷卻板40之間以空腔的形式存在封入氣體43。封入氣體43阻止從熱源 2到冷卻板40的熱傳遞和由此到冷卻劑50的傳遞。

圖2示出了熱源2，其中在底部30處涂覆導熱膏31。具有導熱膏31 的熱源2壓到冷卻板40上并且安裝在其上。與圖1的實施方式相比，這種同樣由現(xiàn)有技術已知的結(jié)構(gòu)改善了熱傳遞。

圖3示出了在成功安裝后的熱源2和冷卻板4。應識別出，在此之前存在的封入氣體43或者說空腔現(xiàn)在完全由導熱膏31填充。導熱膏31促進了在熱源2和冷卻板40之間的熱交換，使得熱量能夠被傳遞到冷卻劑 50處。

圖4示出了替選的冷卻板41。在此熱源2構(gòu)成了冷卻板41的蓋子，其防止冷卻劑50的排出。在熱源2的底部30和替選的冷卻板41之間存在密封件32，其防止冷卻劑50的排出。

圖5示出了具有薄膜5的冷卻體1，薄膜5利用表面7與液態(tài)冷卻介質(zhì)3連接。薄膜5的另外的表面8設置用于與在圖中沒有示出的熱源2接觸。在冷卻體1的邊緣區(qū)域42中，薄膜5與冷卻體1的槽連接。這種連接阻止了液態(tài)冷卻介質(zhì)3的排出。這種連接如下地實施，即當液態(tài)冷卻介質(zhì)3承受壓力時，也可靠地阻止液態(tài)冷卻介質(zhì)的排出。

圖6示出了安裝在冷卻體1上的熱源2。在冷卻體1中，液態(tài)冷卻介質(zhì)3沒有承壓，使得薄膜5抵靠在冷卻體的槽處。由此，在熱源2的底部30和冷卻體1之間存在封入氣體43或空腔，其阻止了在熱源2和冷卻體 1之間有效的熱交換。然而只要液態(tài)冷卻介質(zhì)3承受壓力，薄膜5移向熱源2的底部30上。這種狀態(tài)在圖7中示出。薄膜隨后在沒有封入氣體的情況下抵靠在熱源2的底部30處。不需要使用例如在圖2中的導熱膏31。由此盡管在熱源2處有不平整，在冷卻體1和熱源2的底部30之間產(chǎn)生了平坦接觸，其除去了空腔和封入氣體43。這改善了從熱源2到冷卻體1 的熱傳遞。

圖8示出了冷卻系統(tǒng)20。冷卻系統(tǒng)20具有例如兩個冷卻體1，如在圖6或圖7中示出的。經(jīng)由連接系統(tǒng)23，冷卻體1與換熱器22和泵21 連接。冷卻系統(tǒng)由液態(tài)冷卻介質(zhì)3填充。泵21引起液態(tài)冷卻介質(zhì)3在冷卻系統(tǒng)20中的流動。對此泵21產(chǎn)生壓力，該壓力對于在需要體積流量時補償在冷卻體1、連接系統(tǒng)23和換熱器22中的壓力下降而言是必要的。換熱器22將借助于液態(tài)冷卻介質(zhì)3傳遞的熱量輸送到周圍環(huán)境中。在此，熱量能夠例如排出到周圍環(huán)境處、工業(yè)水或海水中。

此外，冷卻系統(tǒng)20的冷卻循環(huán)具有用于產(chǎn)生壓力的設備24和儲藏罐 33(Ausdehnungsgefaess)。由于冷卻劑的不可壓縮性，證明為有利的是，設置儲藏罐33，其基于溫度變化實現(xiàn)液態(tài)冷卻介質(zhì)3的體積變化，無需在冷卻系統(tǒng)20中出現(xiàn)顯著的壓力改變。在此有利的方式是，在儲藏罐33中在液態(tài)冷卻介質(zhì)3上部存在空氣或氣體緩沖。

對于將薄膜5壓到熱源的底部而言必要的壓力通過在冷卻循環(huán)中相對于周圍環(huán)境的過壓產(chǎn)生。由于液態(tài)冷卻介質(zhì)3的不可壓縮性，該過壓與在儲藏罐中的氣體的過壓相同。

在此，儲藏罐33與用于產(chǎn)生壓力的設備24連接。壓力的產(chǎn)生在此能夠例如借助于壓縮機或壓縮空氣儲藏器或者氣體儲藏器執(zhí)行，此外，證明為有利的是，將排氣閥集成到用于產(chǎn)生壓力的設備24中。如果排氣閥打開，氣體緩沖也與周圍環(huán)境空氣連接，隨后冷卻劑循環(huán)也不再相對于周圍環(huán)境過壓。在冷卻體1上的薄膜5是平坦的，其僅部分地抵靠在模塊底部上，例如在圖6中示出的。

如果排氣閥關閉，并且例如通過壓縮機或從壓縮氣體容器中將氣體壓縮到儲藏罐33中，隨后壓力傳播到液態(tài)冷卻介質(zhì)3中并且引起薄膜5完全平坦地抵靠在熱源2的底部處，如在圖7中示出的。

泵21的運行中沿著冷卻劑的流動段出現(xiàn)壓力下降。預壓、例如通過用于產(chǎn)生壓力的設備21的預壓必須如下之高的，使得在冷卻體1的冷卻劑出口處也充滿相對于周圍環(huán)境足夠高的壓力，因為該壓力對于將薄膜壓到熱源2的底部而言是決定性的。

為了改進薄膜5到液態(tài)冷卻介質(zhì)3的熱傳遞，薄膜5能夠以在圖9到圖12中示出的方式優(yōu)化。

圖9示出了，在薄膜5朝向液態(tài)冷卻介質(zhì)3的表面7具有栓釘44形式的凸出元件10。栓釘44提高了對于熱傳遞起作用的用于液態(tài)冷卻介質(zhì) 3的表面積，使得具有更少溫差的熱量過渡到液態(tài)冷卻介質(zhì)3中。

圖10示出了代替栓釘44的溝紋作為凸出元件10，其同樣引起用于到液態(tài)冷卻介質(zhì)3的熱傳遞的作用面積的相應擴大并由此引起改善的熱傳遞。

圖11示出了涂覆在薄膜5上的、泡沫狀的涂層11。這能夠例如通過金屬泡沫實現(xiàn)。同樣的，這也擴大了對于從薄膜5到液態(tài)冷卻介質(zhì)3上的熱傳遞有效的面積并且在此是良好的熱傳遞。

圖12依據(jù)箭頭示意性示出了在熱傳導中具有高橫向?qū)嵝缘谋∧?。示出的熱源2將其廢熱經(jīng)由其底部30傳遞到薄膜5中。通過高橫向?qū)嵝裕瑢岵粌H在最短的路徑上穿過薄膜5進入到液態(tài)冷卻介質(zhì)3中，熱量還在薄膜5中橫向地分散。因此，熱量流在從熱源2過渡到液態(tài)冷卻介質(zhì)3上時散開，并且因此擴大了用于從薄膜5到液態(tài)冷卻介質(zhì)3上的熱傳遞的作用面積。因此能夠?qū)崿F(xiàn)從熱源2到液態(tài)冷卻介質(zhì)上的良好熱傳遞。

總之，本實用新型涉及一種用于使熱源的熱量傳遞到液態(tài)冷卻介質(zhì)上的冷卻體，并且其中，冷卻體具有至少一個用于容納液態(tài)冷卻介質(zhì)的通道。為了能夠在熱源和冷卻體有熱接觸時放棄使用導熱膏提出冷卻體具有薄膜，其中，薄膜構(gòu)成通道的至少一部分，其中，薄膜構(gòu)成冷卻體的外表面，其設置用于與熱源接觸，其中，薄膜是柔性的，使得薄膜通過液態(tài)冷卻介質(zhì)的壓力壓到熱源上。本實用新型還涉及具有這種冷卻體和半導體模塊的功率半導體單元，其中半導體模塊如下地布置在冷卻體上，使得半導體模塊至少與冷卻體的薄膜的部分熱耦合。此外，本實用新型還涉及冷卻系統(tǒng)，其具有這種冷卻體或者這種功率半導體單元以及泵、用于產(chǎn)生壓力的設備、換熱器和連接系統(tǒng)，其中冷卻體、泵和換熱器借助于連接系統(tǒng)互相連接，使得液態(tài)冷卻介質(zhì)能夠在冷卻體、泵和換熱器之間循環(huán)，其中，通過用于產(chǎn)生壓力的設備能夠使得液態(tài)冷卻介質(zhì)承受壓力，從而薄膜通過液態(tài)冷卻介質(zhì)的壓力而壓到熱源處。此外，本實用新型涉及借助這種冷卻體冷卻熱源的方法，其中液態(tài)冷卻介質(zhì)能夠承受壓力，使得冷卻體的薄膜壓到熱源處。